電池型ハイブリッドスーパーキャパシタの高エネルギー密度化に向けたNiMoO@金属被覆グラフェン・インクナノシート構造の合成を容易に行った

A facile synthesis of a NiMoO@metal-coated graphene-ink nanosheet structure towards the high energy density of a battery type-hybrid supercapacitor.

• Venkata Thulasivarma Chebrolu
• Balamuralitharan Balakrishnan
• Selvaraj Aravindha Raja
• Hee-Je Kim

抄録

近年、試薬系電極材料（尿素、フッ化アンモニウム、ヘキサメチレンテトラミン、l-システイン、酢酸、トリエチルアミン）は、太陽電池、燃料電池、電池型ハイブリッドスーパーキャパシタ（BHSC）など、多くの用途で注目されています。ここでは、トリエチルアミンを用いてNiMoO4を混合したシワ状のナノシート構造を水熱合成により設計しました。Ni2+/Ni3+とMo2+/Mo3+の二重金属イオンは、トリエチルアミンの担持によりエネルギー貯蔵性能を大幅に向上させることができる。NiMoO4をバインダーなしでニッケル発泡体基板上に蒸着し、8 mA cm-2で415.66 F g-1 (249.4 mA h g-1)という高い比容量/容量を示し、5000サイクル以上の長期サイクル性能を示した。さらに、コアとしてフレキシブルHSC(NiMoO4@MCG-ink)を組み立て、外側材料は1066.39W kg-1で40.14W h kg-1の高比エネルギーを実現した。HSCデバイスは、99%の容量保持率で優れた長期耐久性を示し、5000サイクル後のデバイスの柔軟性についても様々な曲げ条件で試験を行った。さらに、2台のHSCデバイスは、赤と緑の発光ダイオード(LED)を約60分間点灯させることができ、エネルギー貯蔵デバイスへの応用の可能性を示した。以上のことから、本研究は、リチウムイオン二次電池(LIB)やリチウムイオン二次電池(SC)の高エネルギー貯蔵性能を実現するための新しい電極材料の開発に新たな知見を提供するものである。

Recently, reagent-based electrode materials (urea, ammonium fluoride, hexamethylenetetramine, l-cysteine, acetic acid, and triethylamine) have received great attention in numerous applications (e.g., solar cells, fuels cells, and battery-type hybrid supercapacitors (BHSCs)). Herein, we designed a wrinkle-type nanosheet structure with a mixture of NiMoO4 using triethylamine via a hydrothermal synthesis. The dual metal ions of Ni2+/Ni3+ and Mo2+/Mo3+ can significantly boost the energy storage performance by the support of triethylamine. NiMoO4 was deposited onto a nickel foam substrate without any binders, and the electrode exhibited a high specific capacitance/capacity of 415.66 F g-1 (249.4 mA h g-1) at 8 mA cm-2 with a good long-term cycling performance over 5000 cycles. Moreover, we assembled flexible HSCs (NiMoO4@MCG-ink) as the core, and the outer material delivered a high specific energy of 40.14 W h kg-1 at 1066.39 W kg-1. The HSC device demonstrated excellent long-term durability with a capacity retention of 99%, and various bending conditions were also tested for flexibility of the device after 5000 cycles. Furthermore, a series of two HSC devices were efficient to light up red and green light-emitting diodes (LEDs) for about 60 minutes, indicating its potential applications in energy storage devices. Hence, our work provides new insights into the preparation of new electrode materials for high energy storage performance of lithium-ion batteries (LIBs) and SCs.